黃河上游鐙口揚水灌區(qū)渠道輸沙特性研究

趙琳琳 馬太玲 于健 李超

摘要：以黃河上游鐙口揚水灌區(qū)總干渠為研究對象，研究了引黃渠道泥沙的輸移、沉降與懸移特性，分析了含沙量的變化規(guī)律及其與各影響因素間的相關(guān)性。結(jié)果表明：總干渠挾沙力和水流速度、懸移流速及起動流速三者間的關(guān)系對含沙量及渠道的沖淤狀態(tài)有顯著影響；含沙量的變化規(guī)律具有沿程減小、沿程增大、變化平緩和起伏較大4種狀態(tài)；含沙量S與各因子相關(guān)性由強到弱的排序為流速U、沉速ω、床沙中值粒徑D50床、水深h和懸移質(zhì)中值粒徑D50懸，S與U、ω、D50懸均成冪函數(shù)關(guān)系，與h成線性函數(shù)關(guān)系，與D50床成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：特性；渠道輸沙；鐙口揚水灌區(qū)；黃河上游

中圖分類號：TV146+.1；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.003

鐙口揚水灌區(qū)地處黃河上游，該處黃河非汛期平均含沙量為1.3～3.0 kg/m，，汛期平均含沙量為4.5～7.8kg/m3，多年平均含沙量為4.46kg/m3，懸沙中值粒徑為0.002～0.050mm。引黃灌溉致使灌區(qū)渠道產(chǎn)生了嚴重的淤積問題，近年來雖然采取了一定的防淤措施，但是渠道淤積問題并未改觀。筆者以該灌區(qū)總干渠為研究對象，利用2012-2013年的現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)進行分析，研究了渠道泥沙的輸移、沉降與懸移特性，分析了含沙量變化規(guī)律及其與各影響因素間的相關(guān)性，以期揭示灌區(qū)渠道的沖淤變化規(guī)律。

1 采樣時間和采樣點設置

2012年、2013年共采樣5次，分別在總干渠內(nèi)泵站出水口、東富橋、伊泰橋、官地橋、土合氣橋、大巴拉蓋橋、小巴拉蓋橋、總干渠末端共設置8個采樣斷面，每個采樣斷面設置9個采樣點。

2 監(jiān)測指標及分析內(nèi)容

現(xiàn)場采樣監(jiān)測內(nèi)容：采集總干渠各斷面懸移質(zhì)、推移質(zhì)和床沙，測定各采樣斷面的垂線水深和流速，測量各采樣斷面的渠底高程（每次灌水前后）。室內(nèi)檢測分析指標：懸移質(zhì)和推移質(zhì)含沙量、顆粒級配。檢測分析方法：含沙量采用烘干法，流速采用旋槳流速儀測定，泥沙顆粒級配采用激光粒度分析儀進行檢測分析。

3 總干渠泥沙淤積特性及其影響因素

泥沙受水流紊動和本身重力與慣性力的共同作用，在水流中表現(xiàn)為懸移質(zhì)的沉降和床沙的懸移等特性，從而影響渠道含沙量的變化和渠道的沖淤狀況。本文通過分析泥沙沉速來研究懸移質(zhì)的沉降特性，通過分析水流流速、懸移流速和起動流速三者的關(guān)系來研究床沙的懸移特性。

3.1 懸沙的沉降

由于泥沙密度大于水的密度，因此水中的泥沙顆粒將受重力作用下沉，在靜水中下沉的速度與顆粒粒徑成正比，下沉速度的快慢直接影響渠道的淤積情況[1-2]。本文采用斯托克斯[3]公式計算泥沙沉速：式中：γs和γ分別為干沙和水的容重kN/m3；g為重力加速度，m/s2；d為懸移質(zhì)中值粒徑，m；v為運動黏滯系數(shù)，m2/s。

由式（1）計算得到總干渠泥沙的沉速為0.13～5.70mm/s，變化范圍較大。2012年懸移質(zhì)粒徑較小且較為均勻，計算得到的泥沙平均沉速較??；2013年懸移質(zhì)粒徑較大且不均勻，計算得到的泥沙平均沉速較大。各次采樣各斷面泥沙沉速見圖1（圖中部分懸移流速過大而無法表示，以6m/s代替，實際值遠遠大于6m/s）。

3.2 床沙的起動

沉降的泥沙形成床沙后，在一定的水流條件下會再次起動。根據(jù)泥沙動力學理論，泥沙的起動流速主要受重力和黏結(jié)力的影響，泥沙之間的黏結(jié)力隨著粒徑的減小而增大，粒徑越小起動流速越大。對于有黏性的引黃泥沙，使用比較普遍的起動流速公式主要有竇國仁、張瑞瑾和沙玉清公式[4-5]。本文研究對象為引黃灌區(qū)泥沙，顆粒較細，泥沙粒徑范圍為0.021～0.163mm，黏結(jié)力起主導作用，故采用張瑞瑾公式[6]計算泥沙起動流速：式中：Uc為床沙起動流速，m/s； h為水深，m；d'為床沙中值粒徑，m；ρs、ρ分別為泥沙和水的密度，kg/m3。

由式（2）可知，相同水深下，起動流速與床沙粒徑成反比；相同粒徑下，起動流速與水深成正比。將起動流速Uc與水流速度U進行對比可知，總干渠內(nèi)大部分情況下U>Uc，即大部分情況下床沙均可起動，但起動后能否形成懸移質(zhì)還要看其能否滿足懸移條件。各次采樣各斷面床沙起動流速見圖1。

3.3 床沙的懸移

天然河渠中，含沙量不很高的挾沙水流一般屬于非均質(zhì)兩相流，對于床面上的泥沙顆粒，當水流對顆粒的上舉力或者水流的時均上舉力和脈動上舉力共同作用克服了沙粒的水下重力時，沙粒就會從床面揚起呈懸浮狀態(tài)[7]，泥沙顆粒依靠水流紊動支持其懸移輸送[8]。水流流速反映了水流的紊動強度，達到一定的水流流速能使泥沙上揚懸移，床沙能否保持懸移取決于水流流速U和懸移流速Us之間的相對關(guān)系。床沙的懸移流速計算公式[9]為式中：Us為床沙的懸移流速，m/s；ω為泥沙沉速，m/s。

當U>Us時，床沙起動形成懸移質(zhì)而被水流輸移。計算得到的總干渠各斷面懸移流速見圖1。

3.4 U、Us和Uc的關(guān)系變化

水流流速U、懸移流速Us和起動流速Uc三者關(guān)系的變化將引起渠道的沖淤變化。由圖1可知U、Us和Uc成如下關(guān)系：

（1）U>Uc>Us或U>Us>Uc時。兩種情況下，由于水流速度均大于懸移流速和起動流速，因此床面泥沙將起動且形成懸移質(zhì)，易造成渠道的沖刷。不過，前者形成的懸移質(zhì)不易沉積落淤，后者則易落回到床面。

（2）Us>U>Uc或Us>Uc>U時。前者床面泥沙會起動，但不會形成懸移質(zhì)而被水流輸移，后者床面泥沙既不會起動也不會懸移。此種情況可能導致渠道淤積。

（3）U=Us=Uc時。此時為床面泥沙起動的臨界狀態(tài)，渠道處于不沖不淤狀態(tài)，此種狀況出現(xiàn)較少。

由于渠道各斷面水流條件不同，水流流速和水深沿程發(fā)生變化，因此水流流速、懸移流速和起動流速也將沿程改變，三種流速的關(guān)系將隨之發(fā)生轉(zhuǎn)換，使渠道沖淤狀態(tài)發(fā)生變化。

4 含沙量變化規(guī)律及其相關(guān)性

4.1 含沙量變化規(guī)律

含沙量的變化是渠道泥沙輸移、沉降和懸移特性發(fā)生變化的結(jié)果?？偢汕鞔尾蓸雍沉垦爻套兓€見圖1。將各次采樣的平均流量、平均來沙量、平均懸沙中值粒徑D50懸、平均懸沙沉速、平均挾沙力以及水流流速U、懸移流速Us和起動流速Uc三者間的關(guān)系列于表1。

根據(jù)表1和圖1，總干渠含沙量呈現(xiàn)以下4種變化規(guī)律[10]：

（1）當引水流量較小、來沙量和懸移質(zhì)粒徑居中時，水流挾沙力居中，泥沙沉降速度相對較小。又因U≈Uc≈Us，故接近于床面的泥沙處于變成懸移質(zhì)的臨界狀態(tài)。此種情況下，沒有大量懸移質(zhì)沉降，也沒有大量床沙懸移，含沙量沿程變化平緩，見圖1（a）。

（2）當引水流量較大、懸移質(zhì)平均粒徑較小時，水流挾沙力較大，泥沙沉速很小，不易沉降。同時因U>Uc>Us，故床沙能夠起動并形成懸移質(zhì)且不容易沉積落淤，含沙量沿程增大，見圖1（b）。

（3）當引水流量較小、來沙量居中且懸移質(zhì)平均粒徑較大時，水流挾沙力小，泥沙沉速較大，易發(fā)生沉降。同時因Us>U>Uc，床沙形不成懸移質(zhì)，故含沙量沿程減小，見圖1（d）。

（4）當引水流量和來沙量均較大、懸移質(zhì)粒徑較大時，渠道含沙量沿程呈起伏變化，推移質(zhì)和懸移質(zhì)交替變化，同時U與Us的關(guān)系也發(fā)生交替變化，使渠道發(fā)生沿程沖淤變化，見圖1（c）、圖1（e）。出現(xiàn)此種情況的原因：雖然引水流量較大，但是來沙量也較大，懸移質(zhì)沉速較大，導致渠首挾沙力不足，懸移質(zhì)落淤，同時在渠首段均出現(xiàn)Us>U>U的情況，床沙也形不成懸移質(zhì)，故渠首含沙量下降；在渠道后段，由于斷面發(fā)生變化，因此U、Us和Uc三者的關(guān)系發(fā)生交替變化，U>Us>Uc時床沙起動形成懸移質(zhì)，Us>U>Uc時懸移質(zhì)落淤形成推移質(zhì)，在推移質(zhì)和懸移質(zhì)交替變化下，含沙量變化較大。

4.2 含沙量影響因素的相關(guān)性分析

渠道含沙量的變化主要受水流條件、水的物理性質(zhì)、泥沙的物理性質(zhì)和水流邊界條件[11]的影響，因此本文綜合選擇水流流速U、水深h、床沙中值粒徑D50床、懸移質(zhì)中值粒徑D50懸和泥沙沉速ω作為含沙量的影響因素，采用SPSS19.0軟件分析含沙量與各影響因素間的相關(guān)性，進而確定與含沙量顯著相關(guān)的影響因素。分析采用2012年和2013年的采樣數(shù)據(jù)共142組，以含沙量S為因變量，其余各因素為自變量，繪制各變量的散點圖，確定因變量S與各自變量的相關(guān)關(guān)系。表2為各因子與含沙量之間的函數(shù)關(guān)系和確定性系數(shù)。

根據(jù)表2，流速U、水深h、中值粒徑D50、沉速ω與含沙量S的相關(guān)性分析如下：

（1）流速U與含沙量S的相關(guān)性。U與S的相關(guān)性較為明顯，S隨著U的增大而增大，成顯著正相關(guān)關(guān)系。U與S成冪函數(shù)關(guān)系，確定性系數(shù)為0.412，相關(guān)性較好，可見流速是影響含沙量的主要因素。

（2）水深h與含沙量S的相關(guān)性。h與S的點據(jù)較為散亂，成微弱正相關(guān)，兩者成線性函數(shù)關(guān)系，確定性系數(shù)為0.085。理論分析也表明，水深h與含沙量S的關(guān)系不穩(wěn)定，但存在一定的正相關(guān)性。

（3）床沙中值粒徑D50床與含沙量S的相關(guān)性。D50床與S的關(guān)系點據(jù)較為散亂，兩者成冪函數(shù)關(guān)系，確定性系數(shù)為0.117。

（4）懸移質(zhì)中值粒徑D50懸、泥沙沉速ω與含沙量S的相關(guān)性。D50懸、ω與S的點據(jù)均較為散亂，關(guān)系比較紊亂。D50懸、ω與S均為冪函數(shù)關(guān)系，確定性系數(shù)分別為0.070、0.128，均為微弱負相關(guān)。分析表明，在靜水狀態(tài)下，懸移質(zhì)粒徑增大時，懸移質(zhì)沉速增大，含沙量相應減小。而相關(guān)性分析的結(jié)果顯示ω和D50懸與S的相關(guān)性較小，可能原因是實際水流多處于動態(tài)，泥沙實際沉速小于靜水沉速，故泥沙沉速與含沙量的相關(guān)系數(shù)變小。同時，由于D50懸與ω的相關(guān)性顯著（確定性系數(shù)高達0.405），因此其與含沙量的相關(guān)系數(shù)也偏小。

5 結(jié)語

（1）總干渠水流速度U、泥沙懸移流速Us和起動流速Uc之間存在3種關(guān)系，即U>Uc> Us或U>Us>Uc、Us>U>Uc、U=Us=Uc。對應上述3種關(guān)系，渠道分別處于沖刷、淤積和不沖不淤狀態(tài)。

（2）干渠含沙量變化呈現(xiàn)4種狀態(tài)：含沙量沿程減?。║s>U>Uc）、含沙量沿程增大（U>Uc>Us）、含沙量變化平緩（U≈Uc≈Us）和含沙量起伏較大（U與Us、Uc的大小發(fā)生交替變化）。

（3）含沙量S與各因子相關(guān)性由強到弱的排序依次為流速U、沉速ω、床沙中值粒徑D50床、水深h和懸移質(zhì)中值粒徑D50懸，S與U、ω、D50懸均成冪函數(shù)關(guān)系，與h成線性函數(shù)關(guān)系，與D50床成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

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